课程设计论文

课程设计---温度检测与报警的设计

姓名：齐帅专业班级：电子信息工程073班学号：6100207238

指导老师：王艳庆

摘要

随着电子技术发展，特别是随着大规模的集成电路的产生，给人们的是生活带来了根本性质变化。微型计算机的出现使现代的科学研究得到质的飞跃，而单片机技术的出现则是给现代工业控制以及日常生活带来了极大的方便，正是电子技术的发展推动了工业生产及人们的日常生活水平。

DS18B20是美国DALLAS公司的“单总线”数字温度传感器，它具有结构简单、体积小、功耗低、无须外接元件、用户可自行设定预警上下限温度等特点。本设计结合单片机最小系统版，通过DS18B20温度传感器，将其获得的温度值在LCD

液晶显示屏上显示，并可通过按键预设温度值，当达到预设温度值时，蜂鸣器报警，并且电机会带动电风扇转动进行散热。

关键词：数字温度传感器单片机最小系统 LCD显示器报警系统散热系统

Abstract

Along with the electronic technology development, specially along with the large-scale integrated circuit production, was the life has brought the basic nature change for the people. Was precisely the electronic technology development impelled the industrial production and people's daily life level.

DALLAS DS18B20 U.S. company's "single-bus" digital temperature sensor, it has a simple structure, small size, low power consumption, no external components, the user can set the minimum and maximum warning temperature and so on. The single chip design with minimum system version, by DS18B20 temperature sensor, to obtain the temperature value displayed on the LCD screen in the LCD, and through key preset temperature value, when it reaches the preset temperature value, the buzzer alarm, and Turn the motor driven fan for cooling.

Keywords:Digital temperature sensor Minimum system microcontroller LCD Monitor Alarm System Cooling System

第一章概述

1.1引言:

电子技术的飞速发展，给人类的生活带来了根本的的变革，特别是随着大规模集成电路的产生而出现了微型计算机，更是将人类社会带入了一个新的时代。利用微机的强大功能。人们可以完成各种各样的控制。然而，微机造价高，对于大多数的工业控制来说，也并不需要微机那样强大的功能，于是单片机就运用而生了。单片机其实就是一个简化的微机，将微机的CPU，存储器，I/O接口。定时器/计数器等集成在一片芯片上就是单片机了，它主要用来完成各种控制功能。相对微机来说，单片机价格低，非常适合于应用在简单的控制场合以降低成本。另外，单片机是按照工业控制要求设计的，其可靠性很高，可在工业现场复杂的环境下运行。单片机依靠其高的可靠性和极高的性价比，在工业控制，数据采集，智能化仪表，家用电器等方面得到极为广泛的应用。

现代工业设计，工程建设及日常生活中温度控制都起着重要的作用，早期的温度控制主要用于工厂时间生产中，能起到实时采集温度数据，提高生产效率，产品质量之用。随着人们生活质量的提高，现代社会中的温度控制不仅应用在工厂生产方面也应用于酒店，厂房以及家庭生活中，在有些应用中，如高精度的生产厂房，对温度的要求极其严格，温度的变化极有可能对生产的产品造成极大的影响。因此，这就需要一种能够及时检测温度变化以及温度变化的设备，提供温度数据值，使人们对温度的变化做及时的调整，多点温度控制可根据人们不同的应用环境自行设置该环境的温度值，及时反映生产，生活中温度变化使人们能及时看到温度变化的第一手资料，提示人们温度变化情况，协助人们能及时的调整，起到温度报警作用，使温度控制更好的服务于社会生产，生活。温度控制采用具有扩展性速度快特点的51单片机进行设计，通过DS18B20温度传感器，将其获得的温度值在LCD液晶显示屏上显示，并可通过按键预设温度值，当达到预设温度值时，蜂鸣器报警，并且电机会带动电风扇转动进行散热。

1.2 51系列芯片概述：

51单片机有40个引脚

电源引脚

VCC（第40引脚）：接

电源+5V

GND （第20引脚）：接电源负极，即接地。

外接晶振引脚

XTAL1（第19脚）：片内反相放大器输入端

XTAL2（第18脚）：片内反相放大器输出端

输入输出引脚

P0.0~P0.7（第39—32脚）：P0口的8个引脚。P0口是一个漏极开路的8位准双向I/O口，每位驱动8个LSTTL负载。在访问外部存储器或进行I/O口扩展时，它分时作为低8位地址总线和双向数据总线。

P1.0—P1.7（第1-8脚）：P1口的8个引脚。P1口是一个8位的准双向I/O口，每一位可直接驱动4个LSTTL负载。

P2.0-P2.7（第21—28脚）：P2口的8个引脚。P2口也是一个8位双向I/O口，每一位可直接驱动4个LSTTL负载，在访问外部存储器时它作为高8位地址总线。P3.0—P3.7（第10-17脚）：P3口8个引脚。P3口除作为普通8位准双向I/O口外，还具有第二功能。

P3.0 ：RXD（串行输入口，串行通信时，信号由此输入单片机）。

P3.1： TXD（串行输出口，串行通信时，单片机由此把信号输出）。

P3.2：/INT0（外部中断0输入口）。

P3.3：/INT1（外部中断1输入口）

P3.4：T0（定时器0外部输入口）

P3.5：T1（定时器1外部输入口）

P3.6；/WR（片外数据存储器写选通输出口）

P3.7：/RD（片外数据存储器读选通输出口）

控制引脚

/PROG（第30引脚）：地址锁存有效信号输出端。

/EA（第31脚）：外部程序存储器选用端。

/PSEN（第29脚）：程序存储允许输出端。

/RST（第9脚）：复位信号输入端。

存储器结构

分为程序存储器（ROM）和数据存储器（RAM）。片内外统一编址64K字节的ROM，128（或256）字节的片内的RAM和64K字节的片外RAM。

P2.0-P2.7（第21—28脚）：P2口的8个引脚。P2口也是一个8位双向I/0口，每一位可直接驱动4个LSTTL负载，在访问外部存储器时它作为高8位地址总线。P3.0—P3.7（第10-17脚）：P3口8个引脚。P3口除作为普通8位准双向I/O口外，还具有第二功能。

P0.0~P0.7（第39—32脚）：P0口的8个引脚。P0口是一个漏极开路的8位准双向I/O口，每位驱动8个LSTTL负载。在访问外部存储器或进行I/O口扩展时，它分时作为低8位地址总线和双向数据总线。

1.3试验使用主要芯片简介:

DS18B20的简介：

DS18B20 的温度检测与数字数据输出全集成于一个芯片之上，从而抗干扰力更强。其一个工作周期可分为两个部分，即温度检测和数据处理。

DS 18B20的内部存储器共有三种形态的存储器资源，它们分别是：

ROM 只读存储器，用于存放DS18B20ID 编码，其前8 位是单线系列编码（DS18B20 的编码是19H），后面48 位是芯片唯一的序列号，最后8位是以上56的位的CRC码（冗余校验）。数据在出产时设置不由用户更改。DS18B20 共64 位ROM。

RAM 数据暂存器，用于内部计算和数据存取，数据在掉电后丢失，DS18B20 共9 个字节RAM，每个字节为8 位。第1、2 个字节是温度转换后的数据值信息，第3、4 个字节是用户EEPROM（常用于温度报警值储存）的镜像。在上电复位时其值将被刷新。第5 个字节则是用户第3 个EEPROM的镜像。第6、7、8 个字节为计数寄存器，是为了让用户得到更高的温度分辨率而设计的，同样也是内部温度转换、计算的暂存单元。第9 个字节为前8个字节的CRC码。EEPROM 非易失性记忆体，用于存放长期需要保存的数据，上下限温度报警值和校验数据，DS18B20共3位EEPROM，并在RAM 都存在镜像，以方便用户操作。

系统对DS18B20的各种操作必须按协议进行，操作协议为：初始化DS18B20——发ROM功能命令————发存储器操作命令——处理数据

AT89S51简介：

AT89S51是美国ATMEL公司生产的低功耗，高性能CMOS8位单片机，片内含4k bytes 的可系统编程的Flash只读程序存储器,器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准8051指令系统及引脚。它集Flash程序存储器既可在线编程（ISP）也可用传统方法进行编程及通用8位微处理器于单片芯片中，ATMEL公司的功能强大，低价位AT89S51单片机可为您提供许多高性价比的应用场合可灵活应用于各种控制领域。

·与MCS-51产品指令系统完全兼容

·4k字节在系统编程（ISP）Flash闪速存储器·1000次擦写周期

·4.0－5.5V的工作电压范围

·全静态工作模式：0Hz－33MHz

·三级程序加密锁

·128×8字节内部RAM

·32个可编程I／O口线

·2个16位定时／计数器

·6个中断源

·全双工串行UART通道

·低功耗空闲和掉电模式

·中断可从空闲模唤醒系统

·看门狗（WDT）及双数据指针

·掉电标识和快速编程特性

·灵活的在系统编程（ISP字节或页写模式）

AT89S51 提供以下标准功能：4k 字节Flash 闪速存储器，128字节内部RAM，32个I／O 口线，看门狗（WDT），两个数据指针，两个16 位定时／计数器，一个5 向量两级中断结构，一个全双工串行通信口，片内振荡器及时钟电路。同时，AT89S51可降至0Hz的静态逻辑操作，并支持两种软件可选的节电工作模式。空闲方式停止CPU的工作，但允许RAM，定时／计数器，串行通信口及中断系统继续工作。掉电方式保存RAM 中的内容，但振荡器停止工作并禁止其它所有部件工作直到下一个硬件复位。

第二章设计方案的具体实现

2.1课题任务与要求：

通过DS18B20将温度进行处理送数LCD液晶显示屏显示，并可对预设定的温度值通过蜂鸣器报警。预设定的温度可通过按键设定。按键2和按键3通过减计数或加计数实现对温度值的设定。按键1可查看预设的温度值，按键4用于切换温度显示和温度设定。

2.2分模块设计原理：

2.2.1温度测量模块方案设计

方案一：采用PT100作为测温电路的温度传感器。PT100传感器是利用铂电阻的阻值随温度变化而变化、并呈一定函数关系的特性来进行测温的，具有抗振动、稳定性好、准确度高、耐高压等优点。但使用起来比较复杂。

方案二：采用DS18B20作为测温电路的温度传感器。DS18B20的数字温度输出通过“ 一线” 总线（1-Wire是一种独特的数字信号总线协议，它将独特的电源线和信号线复合在一起，仅使用一条口线；每个芯片唯一编码，支持联网寻址、零功耗等待等，是所需硬件连线最少的一种总线）这种独特的方式，可以使多个DS18B20方便地组建成传感器网络，为整个测量系统的建立和组合提供了更大可能性。它在测温精度、转换时间、传输距离、分辨率等方面比其他温度传感器有了很大的进步，给用户带来了更方便的使用和更令人满意的效果。

通过比较，DS18B20直接输出数字温度值，不需要校正，因此选择方案二。DS18B20的特点如下：

a、一线制器件——独特的接口，使分布式温度检测得以简化。

b、每片DS18B20都有唯一的产品号（64位）。

c、温度测量范围为－55?C～＋125?C。

d、可达12位的数字值，分辨率为0.0625?C。

e、用户可定义的，非易失性的温度告警设置。

DS18B20可以设置成两种供电方式，即数据总线供电方式和外部供电方式。

采取数据总线供电方式可以节省一根导线，但由此带来的缺点是完成温度测量的时间较长；而采取外部供电方式则多用一根导线，但测量速度较快。本设计采用一总线2路温度测量使用外部供电，如下图所示。

123

DS18B20D Q V C

C G N D

VCC

4.7K

VCC

P0.26

2.2.2显示模块的设计

LCD 显示器的原文是Liquid Crystal Display ，取每字的第一个字母组成，中文多称「液晶平面显示器」或「液晶显示器」。其工作原理就是利用液晶的物理特性：通电时排列变得有序，使光线容易通过；不通电时排列混乱，阻止光线通过，说简单点就是让液晶如闸门般地阻隔或让光线穿透。

LCD 的好处有：与CRT 显示器相比，LCD 的优点主要包括零辐射、低功耗、散热小、体积小、图像还原精确、字符显示锐利等。 本实验采用LCD 液晶显示器如图：

模块电路设计图：

2.2.3报警模块的设计：

蜂鸣器报警模块：

由于单片机的引脚输出电流较小，无法驱动蜂鸣器报

警，因此需要增加一个放大电路放大电流驱动蜂鸣器报

警，设计中采用了简单的三极管放大电路：

LED警示灯报警模块：

LED警示灯模块采用三种不同颜色的灯进行提示：

红灯：温度超过预设的最高温度时红灯闪烁

黄灯：温度低于预设的最低温度时黄灯闪烁

绿灯：温度在预设最低与最高温度之间是绿灯亮

2.2.4散热模块的设计：

由于单片机的引脚输出电流较小，无

法驱电磁继电器，因此需要增加一个放

大电路放大电流使继电器能正常工作，

设计中采用了简单的三极管放大电路：

当温度高于设定的最高温度时就会使

继电器开关打下，电动机工作带动电扇

进行散热，但温度低于最高温度时，继

电器开关上去，电动机开路，电机停止。

2.2.5单片机外围电路模块：

单片机时钟电路模块：

电路中的电容为典型的30pF左右，为了

保证更好的稳定的工作，X1为12MHZ晶

体振荡。

复位电路模块：

复位的作用就是初始化单片机，仅

需要给单片机RST引脚加上大于两个机器周期的高电平期。一般复位电路的设计有两种复位方式：电自动复位和按钮复位，本实验采用更加灵活的按钮复位电路。

2.3设计流程：

第三章系统总体设计方案

3.1设计的基本原理：

在单片机最小系统的基础上，通过编写程序，使DS18B20将温度转换为数字信号，然后送到单片机的I/O端口上，单片机通过一定的时序控制得到数据后，进行简

单的处理送LCD显示，并对按键的功能编写程序，通过按键预设定的温度值使蜂鸣器在达到预设定值后报警。

温度测量采用最新的单线数字温度传感器DS18B20，DS18B20是美国DALLAS 半导体公司最新推出的一种改进型智能温度传感器。与传统的热敏电阻相比，它能够直接读出被测温度并且可根据实际要求通过简单的编程实现9～12位的数字值读数方式。可以分别在93.75ms和750ms内完成9位和12位的数字量，并且从DS18B20读出的信息或写入DS18B20的信息仅需要一根口线(单线接口)读写，温度变换功率来源于数据总线，总线本身也可以向所挂接的DS18B20供电，而无需额外电源。因而，使用DS18B20可使系统结构更趋简单，可靠性更高。

降温控制系统采用低压直流电风扇。当温度高于设定最高限温度时，启动风扇降温，当温度降到指定最高限温度以下后，风扇自动停止运转。

温控系统的温度显示和温度的设定直接采用综合实训板上的显示和键盘。当环境温度低于设定的最低限温度值时，也采用综合实训板上的蜂鸣器进行报警。用0#、1#键作为温度最高限、最低限的设定功能键；2#、3#键作为温度值设定的增加和减小功能键。

0#键：作为最高限温度的设定功能键。按一次进入最高限温度设定状态，选择最高限温度值后，再按一次确认设定完成。

1#键：作为最低限温度的设定功能键。按一次进入最低限温度设定状态，选择最低限温度值后，再按一次确认设定完成。

2#键：-1功能键，每按一次将温度值减1，范围为1～99℃。

3#键：+1功能键，每按一次将温度值加1，范围为99～1℃。

3.2设计的基本流程：

3.3设计的分模块实现概述：3.4设计采用的电路图

第四章软件设计

4.1程序模块：

温控系统采用模块化程序结构，可以分成以下程序模块：

①系统初始化程序：首先完成变量的设定、中断入口的设定、堆栈、输入输出

口及外部部件的初始化工作。

②主程序MAIN：完成键盘扫描、温度值采集及转换、温度值的显示。当温度值高于设定最高限时，驱动风扇工作；当温度值低于设定最低限时，驱动蜂鸣器报警。

③键盘扫描程序KEYSCAN：完成键盘的扫描并根据确定的键值执行相应的功能，主要完成最高温度、最低温度的设定。

④温度采集程序GET_TEMPER：完成DS18B20的初始化并发出温度转换命令，经过指定时间后读取转换的温度值。

根据DS18B20的通信协议，主机控制DS18B20完成温度转换必须经过3个步骤：每一次读写之前都要对DS18B20进行复位，复位成功后发送一条ROM指令，最后发送RAM指令，这样才能对DS18B20进行预定的操作。复位要求CPU将数据线下拉500μs，然后释放。DS18B20收到信号后等待16～60μs左右，后发出60～240μs的存在低脉冲，CPU收到此信号表示复位成功。

⑤温度转换程序TEMPER_COV：根据精度要求对采集到的温度值进行处理并转换成便于显示的BCD码值。

⑥显示子程序DISPLAY：显示实时温度及设定温度值。

⑦DS18B20初始化子程序INIT_1820：DS18B20在工作之前必须按照指定的要求完成初始化工作，否则无法正常工作。

⑧DS18B20读写子程序WRITE_1820、READ_1820、READ_1820T完成对

18B20的读写功能，其中，READ_1820从DS18B20中读出一个字节的数据，READ_1820T从DS18B20中读出两个字节的温度数据。

⑨延时程序DELAY、DELAY1满足18B20要求的延时间隔及程序中的延时功

能。

4.2程序流程图：

程序初始化

有键输入吗

？采集温度值

将采集到的值转

化为压缩BCD 码

显示温度值执行相应键

的功能

开始

Y N 主程序流程图

等待480 μs 以上？

CLR D Q 向D S 18B20发出reset 脉冲

S ETB D Q 等待15～60

μs 置F LA G 标志

并延时200 μs N

清除F LA G 标志

D S 18B20初始化

D Q 是否变低？

初始化结束

N

Y

Y DS18B20初始化程序流程图

D S 18B 20初始化8位写完了吗？

写入C C H ，S K I P R O M

开始

写入44H ，发转换命令

C L R

D Q ，准备发送

延时15 μs

写入1位数据

延时15～45 μs

S E T B D Q 完成1位写入

完成

N

Y

DS18B20写入子程序

D S 18B 20初始化

8位读完了吗？

开始

写入C C H ，S K I P R O M

写入B E H ，发转换命令

S E T B D Q 延时1μs 以上

C L R

D Q 准备发送

延时1μs 以上S E T B D Q 释放总线

读取1位数据

延时15～45 μs

完成

N

Y DS18B20读取子程序

第五章仿真及调试

5.1调试流程

1)输入源程序

输入源程序时，应以西文方式输入字母和符号，且中文注释前要加分号。

2)对源程序进行汇编和纠错

根据自动汇编提供的错误信息逐条纠正错误，直至汇编信息提示“错误(0)”、“汇编结束”。

3)确定调试方案

在调试程序前一定要认真分析源程序，明确各功能程序运行的预期结果。然后结合源程序应达到的结果，确定出如何通过某些关键参数和实验现象检验程序运行结果正确与否。例如：程序运行过程中路径的变化、累加器A内容的变化、其他特殊寄存器内容的变化等。并针对具体的分析和观察对象选择较合适的调试方法。如单步运行、跟踪运行、连续运行、快速运行至光标处、设置断点等调试方法。

4)调试程序

(1)调试主程序。主程序运行后，在无任何按键输入时观察有无显示，时钟是否工作，其时、分、秒显示的变化过程是否正确。若运行结果不正确，首先应根据